本發(fā)明涉及適合用于跳時/跳頻無線通信系統(tǒng)下的一種多節(jié)點網絡模擬技術,具體涉及跳時/跳頻通信系統(tǒng)的多節(jié)點網絡模擬環(huán)境的搭建方法。

背景技術：

擴展頻譜通信是一種利用與信息無關的偽隨機碼,使射頻信號通帶寬度遠大于信息信號(基帶信號)頻帶寬度的通信方式，簡稱擴頻通信。擴頻通信的射頻信號頻帶寬度，可擴展到信息信號頻帶寬度的幾十倍乃至幾千倍。跳頻技術是用特定的跳頻碼序列去進行控制頻率合成器，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜的一種方法。其具有抗干擾能力強、抗衰落、低截獲率、碼分多址、信號隱蔽、保密、測距、穩(wěn)定可靠和易于組網等一系列獨特的優(yōu)點。在跳頻系統(tǒng)中，跳頻頻率的選擇是用偽隨機碼來實現(xiàn)的，且跳頻通信的幾十個甚至上千個頻率由所傳信息與偽隨機碼的組合進行控制。由于系統(tǒng)的工作頻率在不停的跳變，在每個頻點上停留的時間僅為毫秒或微秒級。跳頻通信系統(tǒng)的頻率跳變速度反映了系統(tǒng)的性能，好的跳頻系統(tǒng)每秒的跳頻次數(shù)可以達到上萬跳。根據(jù)跳頻速率的快慢，可把跳頻系統(tǒng)分為快跳頻和慢跳頻?？焯l是指一次發(fā)射信號期間有不止一個頻率跳變，即跳頻速率大于信息速率；反之稱為慢跳頻。慢跳頻系統(tǒng)成本低，易實現(xiàn)，常用于各類民用系統(tǒng)，以提高通信質量和信道利用率?？焯l系統(tǒng)與慢跳頻系統(tǒng)相比，具有更強的抗干擾、抗截獲和人為阻塞能力。慢跳頻序列在一個頻隙內傳送若干個比特后跳到下一頻隙，而快跳頻傳送一個比特就經歷多次頻率跳變，因此快跳頻相對于慢跳頻可以在每個發(fā)射符號上獲得頻率分集增益，但快跳頻的技術復雜且限制了數(shù)據(jù)調制方式的選用?？焯l通信是指頻率的跳變速度大于信息傳輸速率的通信系統(tǒng)。常規(guī)跳頻通信通過采用擴展頻譜技術，利用與信息無關的偽隨機序列控制信號的頻率在較寬的頻率范圍跳變。由于該偽隨機序列確定的跳頻表是事先確定的，不能根據(jù)電磁環(huán)境狀態(tài)實時調整。跳頻序列與跳時序列是擴頻通信中的兩個重要組成部分，由于跳頻序列的擴頻增益較高，又具有多址性能，所以應用很廣泛，人們對它的研究也很多。但是長期以來由于跳時序列其本身并沒有真正意義上的擴頻，處理增益不高，所以只限于與直擴序列和跳頻序列結合使用。時間跳變也是一種擴展頻譜技術。跳時擴頻通信系統(tǒng)(Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems，TH-SS)是時間跳變擴展頻譜通信系統(tǒng)的簡稱，主要用于時分多址(TDMA)通信中。與跳頻系統(tǒng)相似，跳時是使發(fā)射信號在時間軸上離散地跳變。跳時(TH－Time Hopping)是擴頻通信的方式之一，與跳頻相似，是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。也可以把時間軸分成許多時隙，這些時隙在跳時擴頻通信中通常稱為時片，若干時片組成一跳時時間幀。在一幀內哪個時隙發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制。因此，可以把跳時理解為：用一偽隨機碼序列進行選擇的多時隙的時移鍵控。在典型的跳時/跳頻通信系統(tǒng)中，如圖5所示典型的跳時/跳頻通信系統(tǒng)，具有多個可以信息互通的節(jié)點。每個節(jié)點主要包含三大組成功能：信息源主要實現(xiàn)產生和接收特定格式的數(shù)據(jù)報文，網絡設備主要實現(xiàn)網絡協(xié)議控制與數(shù)據(jù)包的封裝，無線傳輸設備主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的物理傳輸。網絡中所有節(jié)點的集合稱為節(jié)點列表。網絡中各節(jié)點采用基于脈沖統(tǒng)計的競爭接入方式，在不超過信道總容量的情況下允許多個節(jié)點并行發(fā)送，每個節(jié)點利用特定的波形控制參數(shù)(主要包含時頻圖案、功率與速率等參數(shù))發(fā)送數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包在時頻二維空間上包含多個脈沖，所有脈沖在某個接收節(jié)點處呈現(xiàn)的頻率與時間的二維分布關系，稱為脈沖時頻分布。用如圖6所示不同填充圖案區(qū)分來自不同發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)包。接收節(jié)點往往具備多收能力，只要接收的脈沖數(shù)目與信號質量滿足解調與譯碼要求，就能完整地將多個來自不同發(fā)送節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包恢復出來。在跳時/跳頻通信系統(tǒng)中，稱產生數(shù)據(jù)消息并發(fā)送至網絡的節(jié)點為源節(jié)點，需要從網絡上接收數(shù)據(jù)消息的節(jié)點為目的節(jié)點，由于無線信道的廣播特性，源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包在所有的接收節(jié)點(包括目的節(jié)點與非目的節(jié)點)均會產生脈沖時頻分布。

在網絡協(xié)議調試與測試上，通常有三種技術手段：

網絡仿真技術：利用網絡仿真軟件提供的協(xié)議模型和配置工具,能很容易的仿真復雜的網絡拓撲，然而在網絡仿真軟件中運行的不是真正執(zhí)行的協(xié)議,而是邏輯上的操作,無法直接應用到目標網絡，仿真結果與實際情況往往存在較大差異；

網絡實物測試技術：使用真實的節(jié)點傳輸設備，在真實的通信環(huán)境下，搭建網絡測試平臺，該方法與真實網絡使用場景最為接近，測試數(shù)據(jù)最為可信，但是對于較大規(guī)模網絡協(xié)議的開發(fā)與測試，難以承受需要大量真實設備造成的昂貴開銷，而且在測試場地節(jié)點布局上也很難達到目標網絡的拓撲變化要求。

網絡模擬技術：網絡模擬能在一個可控的和可重復的實驗室環(huán)境下執(zhí)行真實的網絡協(xié)議代碼。與網絡仿真相比,網絡模擬器中協(xié)議的交互都是真實的,網絡流量物理上穿過模擬環(huán)境,模擬環(huán)境能夠真實的反映出網絡環(huán)境和動態(tài)流量,如延遲、丟包、和鏈路中斷等。與網絡測試平臺相比,網絡模擬能在實驗室環(huán)境下進行網絡協(xié)議的調試與測試,加快了調試與測試進度,節(jié)省了費用，是一種實用可靠的網絡協(xié)議測試方法。

現(xiàn)有的網絡模擬技術大多是針對定頻恒速通信系統(tǒng)(如移動自組網)，數(shù)據(jù)通信過程中使用的通信頻率與速率不隨時間而變化，網絡模擬器僅能提供信道忙閑狀態(tài)與數(shù)據(jù)通斷判別，而不能提供準確的信道脈沖統(tǒng)計情況，不能體現(xiàn)跳時/跳頻通信系統(tǒng)基于時頻脈沖的通信特征，因此無法滿足跳時/跳頻通信系統(tǒng)在多節(jié)點條件下對信道環(huán)境的模擬要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好通用性和可擴展性，為直接通信的節(jié)點提供具有延時的數(shù)據(jù)交換，為每個節(jié)點的網絡設備提供接入控制所需要的脈沖統(tǒng)計信息，適用于跳時/跳頻通信系統(tǒng)的多節(jié)點網絡模擬環(huán)境的搭建方法，以解決跳時/跳頻通信系統(tǒng)網絡協(xié)議調試與測試的技術難題。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種跳時/跳頻通信系統(tǒng)多節(jié)點網絡模擬環(huán)境的搭建方法，具有如下技術特征：采用通過對時頻脈沖的統(tǒng)計分析來模擬真實跳時/跳頻通信的多節(jié)點組網環(huán)境的網絡模擬器，網絡模擬器通過接口單元2相連場景激勵器，網絡模擬器通過其上布局的n個接口單元1相連網絡所有節(jié)點的網絡設備，搭建跳時/跳頻通信系統(tǒng)多節(jié)點網絡模擬環(huán)境；場景激勵器模擬產生所有節(jié)點的運動軌跡，將所有節(jié)點的位置數(shù)據(jù)實時發(fā)送給網絡模擬器；網絡模擬器周期接收場景激勵器的節(jié)點位置數(shù)據(jù)和源節(jié)點信息源的數(shù)據(jù)包與波形控制參數(shù)信息，計算數(shù)據(jù)包脈沖的傳播時延與信噪比，更新每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布，判斷目的節(jié)點是否可以正確接收數(shù)據(jù)包，根據(jù)目的節(jié)點網絡設備最新的脈沖時頻分布，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包的有效脈沖數(shù)目，向各節(jié)點網絡設備發(fā)送統(tǒng)計結果，為每個節(jié)點的提供接入控制所需要的脈沖統(tǒng)計信息，對可以直接通信的節(jié)點提供具有延時的數(shù)據(jù)交換能力；網絡模擬器計算單元根據(jù)計算的傳播時延，結合波形控制參數(shù)中的時頻圖案信息，更新數(shù)據(jù)包抵達每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有如下有益效果。

具有良好的通用性。本發(fā)明將網絡所有節(jié)點的網絡設備通過接口單元1相連網絡模擬器，場景激勵器通過接口單元2相連網絡模擬器，搭建跳時/跳頻通信系統(tǒng)多節(jié)點網絡模擬環(huán)境具有良好通用性；通過分析脈沖時頻分布對任意網絡節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信能力做判別，為可以直接通信的節(jié)點提供具有延時的數(shù)據(jù)交換，并為每個節(jié)點的網絡設備提供接入控制所需要的脈沖統(tǒng)計信息，從而解決了跳時/跳頻通信系統(tǒng)網絡協(xié)議調試與測試的技術難題。

具有良好可擴展性。本發(fā)明利用可以接入多個真實的網絡設備網絡模擬器，通過對時頻脈沖的統(tǒng)計分析來模擬真實的跳時/跳頻通信的多節(jié)點組網環(huán)境，利用網絡設備的有線互聯(lián)替代了真實環(huán)境的無線傳輸設備互聯(lián)，具有良好可擴展性。解決了搭建實物測試環(huán)境帶來的成本太高與部署困難的問題，可為網絡協(xié)議調試與測試提供一個較為理想的網絡模擬環(huán)境。

提高了多節(jié)點網絡模擬的可信度。本發(fā)明采用場景激勵器模擬產生所有節(jié)點的運動軌跡，將所有節(jié)點的位置數(shù)據(jù)實時發(fā)送給網絡模擬器；網絡模擬器周期接收場景激勵器的節(jié)點位置數(shù)據(jù)和源節(jié)點的數(shù)據(jù)包與波形控制參數(shù)信息，計算數(shù)據(jù)包脈沖的傳播時延與信噪比，更新每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布，判斷目的節(jié)點是否可以正確接收數(shù)據(jù)包，根據(jù)目的節(jié)點網絡設備最新的脈沖時頻分布，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包的有效脈沖數(shù)目，向各節(jié)點網絡設備發(fā)送統(tǒng)計結果，為每個節(jié)點的提供接入控制所需要的脈沖統(tǒng)計信息，對可以直接通信的節(jié)點提供具有延時的數(shù)據(jù)交換能力；由于是對時頻脈沖分布的精確模擬，模擬精度可達微秒級?？朔思兇獾木W絡軟件仿真帶來的可信度較低的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明跳時/跳頻通信系統(tǒng)的多節(jié)點網絡模擬環(huán)境示意圖。

圖2是圖1網絡模擬器的構成示意圖。

圖3是本發(fā)明跳時/跳頻通信系統(tǒng)多節(jié)點網絡模擬運行流程圖。

圖4是圖1網絡模擬器的處理流程圖。

圖5為現(xiàn)有技術典型的跳時/跳頻通信系統(tǒng)示意圖。

圖6是圖5的脈沖時頻分布的示意圖。

具體實施方式

參閱1。根據(jù)本發(fā)明，網絡所有節(jié)點的網絡設備通過接口單元1相連網絡模擬器，場景激勵器通過接口單元2相連網絡模擬器，搭建跳時/跳頻通信系統(tǒng)多節(jié)點網絡模擬環(huán)境；場景激勵器模擬產生所有節(jié)點的運動軌跡，將所有節(jié)點的位置數(shù)據(jù)實時發(fā)送給網絡模擬器；網絡模擬器周期接收場景激勵器的節(jié)點位置數(shù)據(jù)和源節(jié)點信息源的數(shù)據(jù)包與波形控制參數(shù)信息，計算數(shù)據(jù)包脈沖的傳播時延與信噪比，更新每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布，判斷目的節(jié)點是否可以正確接收數(shù)據(jù)包，根據(jù)目的節(jié)點網絡設備最新的脈沖時頻分布，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包的有效脈沖數(shù)目，向各節(jié)點網絡設備發(fā)送統(tǒng)計結果，為每個節(jié)點的提供接入控制所需要的脈沖統(tǒng)計信息，對可以直接通信的節(jié)點提供具有延時的數(shù)據(jù)交換能力；網絡模擬器計算單元根據(jù)計算的傳播時延，結合波形控制參數(shù)中的時頻圖案信息，更新數(shù)據(jù)包抵達每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布。

接口單元1可以是高速光纖接口，接口單元2可以是以太網接口。位置數(shù)據(jù)主要包含節(jié)點的經度、緯度與高度信息；網絡模擬器對源節(jié)點與目的節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信能力進行判別，對可以直接通信的節(jié)點提供具有延時的數(shù)據(jù)交換能力，并為每個節(jié)點的網絡設備提供接入控制所需要的脈沖統(tǒng)計信息。

參閱圖2。網絡模擬器主要包含四個功能單元：提供與網絡設備、場景激勵器的接口適配功能的接口單元；提供源節(jié)點與目的節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信能力判別功能與節(jié)點的脈沖統(tǒng)計功能的計算單元；對接收來自節(jié)點網絡設備的數(shù)據(jù)包進行緩存，并根據(jù)計算單元的計算結果執(zhí)行節(jié)點間的有延遲的數(shù)據(jù)包交換的交換單元；用于存儲節(jié)點位置、功率、速率、時頻圖案等計算參數(shù)的存儲單元。

參閱圖3。場景激勵器向網絡模擬器的接口單元2周期發(fā)送所有網絡節(jié)點的實時位置數(shù)據(jù)，網絡模擬器的接口單元1接收網絡節(jié)點的實時位置數(shù)據(jù)后，更新節(jié)點位置數(shù)據(jù)并放入存儲單元進行存儲；

目的節(jié)點網絡設備接收到來自網絡模擬器的接口單元1傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包后，提取數(shù)據(jù)報文，發(fā)送至本節(jié)點的信息源；源節(jié)點的信息源產生數(shù)據(jù)報文后，經本節(jié)點的網絡設備封裝成數(shù)據(jù)包，并在信道接入協(xié)議的控制下向網絡模擬器的接口單元1發(fā)送數(shù)據(jù)包，并提供時頻圖案、發(fā)送功率、發(fā)送速率等波形控制參數(shù)信息；

網絡模擬器的接口單元1將接收后的數(shù)據(jù)包放入交換單元緩存，將波形控制參數(shù)放入存儲單元進行存儲，并記錄數(shù)據(jù)包的接收時刻t1；計算單元利用存儲單元的最新節(jié)點位置數(shù)據(jù)計算源節(jié)點與每個接收節(jié)點的通信距離，進而求出數(shù)據(jù)包脈沖抵達每個接收節(jié)點的傳播時延；計算單元利用存儲單元的波形控制參數(shù)中的發(fā)送功率信息，結合計算得到的通信距離，計算每個接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)包脈沖的信噪比；

計算單元根據(jù)計算的傳播時延，結合波形控制參數(shù)中的時頻圖案信息，更新數(shù)據(jù)包抵達每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布，主要包含每個脈沖的頻率、起始時間與脈沖寬度等信息；計算單元判斷目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的信噪比≥預定門限SNRr是否成立，若是則在數(shù)據(jù)包脈沖全部抵達目的節(jié)點時刻記為t2，t2＝t1(s)+tp(s)+數(shù)據(jù)包長度(bit)/發(fā)送速率(bps，其中tp為源節(jié)點至目的節(jié)點的傳播時延，根據(jù)目的節(jié)點最新的脈沖時頻分布，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包的有效脈沖數(shù)目，否則認為不能正確接收數(shù)據(jù)包，其中，SNRr為預置在計算單元的固定參數(shù)，表示節(jié)點接收數(shù)據(jù)包所需要的最低信噪比，有效脈沖數(shù)目指的信噪比高于預定門限SNRr且進行脈沖重疊篩選后的脈沖數(shù)目，脈沖重疊指的是多個信噪比高于SNRr的脈沖在時間或頻率上存在交疊現(xiàn)象。計算單元周期統(tǒng)計每個節(jié)點接收的有效脈沖數(shù)目，并將脈沖統(tǒng)計結果通過接口單元1發(fā)送給相應的節(jié)點網絡設備。

網絡模擬器的計算單元判斷有效脈沖數(shù)目/數(shù)據(jù)包總脈沖數(shù)目≥預定門限Thd是否成立，若是則認為數(shù)據(jù)包可以正確接收，否則認為不能正確接收，其中，Thd為預置在計算單元的固定參數(shù)，表示節(jié)點接收數(shù)據(jù)包所需要的最低有效脈沖占比。

網絡模擬器的交換單元根據(jù)計算單元的計算結果，若計算結果為可以正確接收數(shù)據(jù)包，則立即將數(shù)據(jù)包經接口單元1發(fā)送給目的節(jié)點的網絡設備，否則丟棄數(shù)據(jù)包。

參見圖4，圖中給出了網絡模擬控制器的處理流程。

步驟600，跳時/跳頻通信系統(tǒng)啟動后，網絡模擬器的接口單元2等待接收來自場景激勵器的節(jié)點位置數(shù)據(jù)，若接收到，則轉入步驟603，否則繼續(xù)等待；位置數(shù)據(jù)包括節(jié)點經度、緯度與高度信息。

步驟601，跳時/跳頻通信系統(tǒng)啟動后，網絡模擬器的接口單元1等待接收來自網絡設備的數(shù)據(jù)包，若接收到任意節(jié)點的網絡設備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則轉入步驟604，否則繼續(xù)等待；

步驟602，跳時/跳頻通信系統(tǒng)啟動后，網絡模擬器計算單元等待脈沖統(tǒng)計周期的到來，若脈沖統(tǒng)計周期到來，則轉入步驟614，否則繼續(xù)等待；

步驟603：網絡模擬器的接口單元2將接收的位置數(shù)據(jù)更新后放入存儲單元進行存儲，然后轉入步驟604；

步驟604：網絡模擬器的接口單元1將接收的數(shù)據(jù)包放入交換單元進行緩存，將時頻圖案、發(fā)送功率、發(fā)送速率等波形控制參數(shù)信息放入存儲單元進行存儲，并記錄數(shù)據(jù)包的接收時刻t1，然后轉入步驟605；

步驟605：網絡模擬器計算單元利用存儲單元最新的節(jié)點位置數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)包源節(jié)點與所有接收節(jié)點的通信距離，然后轉入步驟606；

步驟606：網絡模擬器的計算單元利用存儲單元的最新節(jié)點位置數(shù)據(jù)計算源節(jié)點與每個接收節(jié)點的通信距離，然后轉入步驟607；

步驟606：網絡模擬器計算單元利用計算好的通信距離，計算數(shù)據(jù)包脈沖抵達每個接收節(jié)點的傳播時延，然后轉入步驟607；

步驟607：網絡模擬器計算單元利用存儲單元的波形控制參數(shù)中的發(fā)送功率信息，結合計算得到的通信距離，計算每個接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)包脈沖的信噪比，然后轉入步驟608；

步驟608：網絡模擬器計算單元根據(jù)計算的傳播時延，結合波形控制參數(shù)中的時頻圖案信息，更新數(shù)據(jù)包抵達每個接收節(jié)點的脈沖時頻分布，主要包含每個脈沖的頻率、起始時間與脈沖寬度等信息，然后轉入步驟609；

步驟609：網絡模擬器計算單元判斷目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的信噪比是否不小于預定門限SNRr，其中SNRr為預置在計算單元的固定參數(shù)，表示節(jié)點接收數(shù)據(jù)包所需要的最低信噪比，若是則轉入步驟610，否則轉入步驟612；

步驟610：網絡模擬器計算單元在數(shù)據(jù)包脈沖全部抵達目的節(jié)點時刻(記為t2)將目的節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包包含的全部脈沖依次進行脈沖重疊篩選，即計算數(shù)據(jù)包有效脈沖數(shù)目＝數(shù)據(jù)包脈沖總數(shù)-存在脈沖重疊現(xiàn)象的脈沖數(shù)，脈沖重疊指的是多個信噪比高于SNRr的脈沖在時間或頻率上存在交疊，t2＝t1(s)+tp(s)+數(shù)據(jù)包長度(bit)/發(fā)送速率(bps)，其中tp為源節(jié)點至目的節(jié)點的傳播時延，然后轉入步驟611；

步驟611：網絡模擬器計算單元計算數(shù)據(jù)包有效脈沖占比η：η＝有效脈沖數(shù)目/脈沖總數(shù)目，若η≥Thd則轉入步驟613，否則轉入步驟612，其中Thd為預置在計算單元的固定參數(shù)，表示節(jié)點接收數(shù)據(jù)包所需要的最低有效脈沖占比；

步驟612：網絡模擬器交換單元丟棄數(shù)據(jù)包，然后轉回步驟600、601與602；

步驟613：網絡模擬器交換單元經接口單元1發(fā)送給目的節(jié)點的網絡設備，然后轉回步驟600、601與602；

步驟614：網絡模擬器計算單元將節(jié)點列表中包含的所有節(jié)點標注為“未計算”，然后轉入步驟615；

步驟615：網絡模擬器計算單元判斷節(jié)點列表中是否還存在“未計算”的節(jié)點，若是則轉入步驟616，否則轉回步驟600、601與602；

步驟616：網絡模擬器計算單元從節(jié)點列表中取出一個“未計算”的節(jié)點j，計算統(tǒng)計周期內節(jié)點j接收的有效脈沖數(shù)，然后轉入步驟617；

步驟617：網絡模擬器計算單元將計算好的有效脈沖數(shù)通過接收單元發(fā)送給節(jié)點j的網絡設備，并將然后轉回步驟615。